Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ. Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C÷ tmax =0 ÷ (115)0C.

Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C÷ tmax =0 ÷ (115)0C. Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1. U= 0÷ 10 V 4. I= 4÷ 20mA Dùng cơ cấu để đo chỉ thị. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C= 0÷ 76,670C .Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:τ= 3,5 giây Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 76,670C Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị số BCD Trong đó: a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách =5 n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách =65

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt

độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ

Yêu cầu:

- Dải đo từ: t0C =00C÷ tmax =0 ÷ (115)0C

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

1 U= 0÷ 10 V

4 I= 4÷ 20mA

- Dùng cơ cấu để đo chỉ thị

-Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C= 0÷ 76,670C Thiết kế mạchnhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:τ= 3,5giây

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 76,670C

- Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiển thị

số BCD

Trong đó:

a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách =5

n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách =65

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

I Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử,phân tử của một hệ vật chất.Tùy theo từng trạng thái của vật chất (rắn ,lỏng ,khí ) màchuyển động này khác nhau

 Ở trạng thái lỏng các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định

 Ở trạng thái rắn các phân tử,nguyên tử chỉ dao đông xung quanh vị trí cânbằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử được gọi chung làchuyển động nhiệt Khi tươngtác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưngkhông sinh công, thì quá trình trao đổi nănglượng nói trên gọi là sự truyềnnhiệt Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:Bảo toàn năng lượng

- Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độthấp.Ởtrạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạnhiệt

- Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyềnnhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cáchvận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ dochênh lệch về tỉ trọng

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ nhưdùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biếnnhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng nhiệtđiện trở kim loại

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độcủa nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Cónhiều đơn vị đo nhiệt độ,chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ pháttriển của khoa học kỹ thuật và xã hội.Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chínhlà:

1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đonhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vịquốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.

 Các phương pháp đo nhiệt độ cơ bản:

+ Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Cóhai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu.Cấu tạo của nhiệt kế nhiệtđiện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất traođổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môi trường khí hoặcnước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặtnhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn haonhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kếcàng lớn càng tốt.Khi đo nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt

kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

+ Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vậthấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của mọi vậtthể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn

vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo:

- Mạch đo gồm có 6 khối cơ bản:

Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo:

So sánh

I.2 Chức năng của các khối trong mạch đo:

- Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc nhiễutínhiệu trước khi chuyển vào khối khác

- Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị

- ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm biến thành những tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị

+ So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị.+ Chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để hiện kết quả đo

- Hiển thị : cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ thống đo để kịp thời sử lý

- Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép

Chương II CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO

Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán thiết

kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linh kiện màmình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :

2.1 Cảm biến:

Nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biếnnhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nên dòng điệntrong kim loại

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thườngdùng:

Cặp nhiệt ngẫu

Nhiệt điện trở kim loại

IC cảm biến nhiệt độ

Trong bài này chúng ta sẽ sử dụng cảm biến nhiệt IC Hầu hết các cảm biến nhiệt

IC sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của nhiệt độ các loại IC thường gặp :

LM135, LM235,LM335: 10mV output

LM35: 10mV/0k output

LM34: 10mV/0F output

AD590: 1 A output

Hình 1.1:hình ảnh của cảm biến nhiệt IC LM555 và LM35

 Ưu điểm của IC:

- Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác

- Gía thành thấp

- Kích thước gọn nhẹ

- Ngõ ra có thể là điện áp ,dòng điện hoặc số và tỷ lệ với độ K,F,C

 Nhược điểm của IC:

- Tầm nhiệt độ thấp (-550C÷ 1500C)

-Cần mạch kín

2.2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 :

Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có tác dụng khuếch đạicác tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi bài này ta sẽ sửdụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ

so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán

2.3 Điện trở :

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từhợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loạiđiện trở có trị số khác nhau.

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý

2.4

ADC 0804 :

Hình 3 : ADC 0804Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó làm việcvới +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng làmột yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi đượcđịnh nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thànhmột số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số

đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs.s.Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

hình 4 : Sơ đồ các chân ADC0804

Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thiết kế hợp lý đểtránh mắt thường quan sát được.

2.6 Các thiết bị cảnh báo :

Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để cảnhbáo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ Những thiết bịnày thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng nguồn điện mộtchiều hay xoay chiều

2.7 Nguồn cấp cho mạch :

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V tùytheo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từnguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sửdụng đó là 5V, 9V, 12V

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụngchỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khốichỉnh lưu:

Chương III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO

3 Lý thuyết tổng quan.

3.1:Tính toán, lựa chọn cảm biến.

Yêu cầu đề bài : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnhbáo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt

- Chân 1: Chân nguồn VCC

- Chân 2: Chân ra VOUT

 Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

 Độ phân giải điện áp đầu ra là 10 mV/OC

 Độ chính xác cao ở 25 OC là 0,5OC

 Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ (-55 - 150) 0C với các mức điện áp ra khác nhau

 Xét một số mức điện áp sau :

- Nhiệt độ -550Cđiện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 250Cđiện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 1500C điện áp đầu ra 1500mV

Vậy khi ở nhiệt độ 115 điện áp đầu ra là 1,15V

3.2 Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp.

Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào luôn ổn định là 5V cho IC LM35

3.3 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.

3.3.1 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 10V

Dùng bộ khuếch đại không đảo

3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4 mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

thường chọn điều kiện mạch : R5 +(R4+R2) = R6+R3(*)

Ta có IL= (U12-U11)

Ta chọn R2=R3=10kΩ

Khi IL= 4mA ta có U12=0 V

Theo yêu cầu bài toán thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau và bằng

=1+0,5.5=3.5(s )

Ta có R10=R11=10kΩ

Từ công thức R11.C2.0,69= suy ra C2= 500 µF

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.

Theo bài ra: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị

t C= = = 76.670C ta chọn mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 77 C

suy ra điện áp so sánh là +0.77V

3.6 Tính chọn LED 7

Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cung cấp giá trị dòng điện khoảng 10mA Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng 2mV Nguồn cung cấp điện áp cho mạch Vcc= 5V.

Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:

Vo1= 0.4 V

Io1= 40mA

Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA Như vậy:

Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω)

Trong thực tế khi thiết kế ta chỉnh giá trị Rhd sao cho LED sang rõ nhất và lúc này ta

đo được giá trị điện trở hạn dòng là Rhd =330 (Ω)

Tại ngõ ra của IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC này trong trường hợp LED sang thì điện áp trên LED khoảng 2V, VCE SAT =0.2 V, vậy nên phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mã hóa

3.7.Tính toán thiết kế nguồn :

Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V vậy vấn đề đặt ra là phải biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

khối nguồn sẽ bao gồm:

Tính chọn máy biến áp:

Ở đây chúng ta có hai nguồn đó là nguồn cho điện áp đặt ở bộ so sánh 5V vànguồn cấp cho OA là 12V như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp đểlấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở

để chỉnh xuống 5 V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnhlưu điện áp 1 phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu rathay đổi.Tối ưu nhất ở đây nên dùng phương án 3

Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng

tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng tụ điện

Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra thay đổi từ 0 đến 15V nên tadùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ra trong khoảng1,2V-35V với cách mắc thông thường

Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu ra 5V:

Mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC LM 35

Mạch chuyển điện áp sang mã nhị phân dùng ADC0804

Bộ hiển thị số BCD

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong thời gian làm đề tài này em đã biết được thêm nhiều kiến thức thực tế vàứng dụng được những kiến thức đã học Qua đó chúng em luyện tập được khả năng

tư duy, cách thức nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tế

Mạch đo nhiệt độ được ứng dụng rất drộng rãi trong thực tế như đo nhiệt độphòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ là thành phần quan trọngtrong một số mạch chức năng khác như hệ thống đo và điều chỉnh nhiệt độ ở lò cao,

bộ phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt ở lò sưởi…

Những việc đã làm được:

 Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ

 Thiết kế nguồn cung cấp

 Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống

 Tính sai số cho toàn hệ thống

 Sơ đồ các khối chức năng và sơ đồ mạch đo

Những việc chưa làm được:

 Chưa chỉnh được sai số của mạch khuếch đại

 Mạch còn chưa tối ưu, và còn sử dụng nhiều thiết bị điện tử quá

Hi vọng mạch còn nhiều ứng rộng trong tương lai